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Radioactivité

Une source radioactive va émettre des rayonnements par désintégration ou désexcitation d’un noyau instable. Ces bases physiques sont indispensables pour comprendre la radioprotection des travailleurs et ses applications en médecine du travail.

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La radioactivité est la capacité de certains corps à émettre spontanément des rayonnements. On distingue des sources scellées qui empêchent la dispersion des matières radioactives et des sources non-scellées qui ne le permettent pas. Les sources orphelines sont celles qu’on ne peut pas soumettre à un contrôle réglementaire.

1. Activité

Chaque radioélément a une constante de désintégration λ qui lui est propre. Elle représente la probabilité de désintégration par unité de temps. Si N est le nombre de noyaux radioactifs de la source, on a :

A = λ . N ( A est l’activité de la source mesurée en Bq)

On préfère caractériser la source par sa période T qui est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux se soit désintégrés (demie-vie). On a :

T = Ln2 / λ (T est mesuré en s)

L’unité d’activité est le Becquerel (Bq). 1 Bq correspond à 1 désintégration par seconde. En médecine nucléaire on a conservé le milliCurie (mCi) comme unité d’activité. On a :

1 mCi = 3,7 . 10Bq

2. Transitions radioactives

La radioactivité est liée à une instabilité du noyau. Elle provient d’un déséquilibre entre les nombres de neutrons et de protons. Une transition est une modification de l’état énergétique d’un noyau par désintégration ou désexcitation.

2.1. Désintégration α

L’éjection d’un noyau d’hélium 2He, à partir d’un noyau lourd père donne un noyau fils plus léger. On a par exemple une transformation du polonium 84Po en plomb 82Pb, en passant du 210Po au 206Pb et 4He, avec une émission d’énergie à 5,408 MeV, une période de 138,376 jours et une activité de 166,4 TBq par gramme. C’est une désintégration par partition avec modification du nombre de masse 4, par perte de 2 protons et 2 neutrons.

2.2. Désintégration  β-

Un électron est éjecté. A cause d’un excès de neutrons, le noyau émet 2 particules :

  • Un électron de masse 0 et de charge -1 ;
  • Un antineutrino sans charge et sans masse (donc très difficilement détectable).

Par exemple, le carbone 6C se transforme en azote 7N, en passant du 14C au 14N avec une émission d’énergie de 156 keV, une période d’environ 5730 ans et une activité de 164,9 GBq par gramme.

2.3. Désintégration β+

Un positron est éjecté. A cause d’un excès de protons, le noyau émet 2 particules :

  • Un positron (électron positif) de de masse 0 et de charge +1 ;
  • Un neutrino sans charge et sans masse.

Par exemple, le néon 10Ne se transforme en fluor 9F, en passant du 19Ne au 19F, avec une énergie de 2,217 MeV.

2.4. Désintégration par capture électronique ε

Elle n’émet pas directement de rayonnement détectable. A cause d’un excès de proton :

  • Un électron du cortège électronique tombe dans le noyau ;
  • Un neutrino est émis.

Par exemple le néon 19Ne se transforme en fluor 19F en capturant un électron avec une énergie de 3,239 MeV. Il y a compétition entre la capture électronique et la désintégration β+.

2.5. Désexcitation γ

Il y a émission d’une onde électromagnétique très énergétique. Le noyau reste inchangé. Par exemple, le nickel 60Ni émet un rayonnement γ.

2.6. Désexcitation par conversion interne e.c.

Il n’y a pas d’émission d’onde électromagnétique. A cause d’un excès d’énergie, le noyau se désexcite en transmettant son surplus d’énergie à un électron du cortège électronique. Cet électron peut alors être éjecté de l’atome et emporter l’excès d’énergie : c’est un électron de conversion. La conversion interne et la désexcitation γ sont en compétition. 

2.7. Neutrons n

Des neutrons, de masse 1 et de charge 0, sont éjectés par des noyaux instables, comme l’uranium 235U, dit fissiles. C’est ainsi qu’une réaction en chaîne se déclenche à partir d’un noyau qui émet 2 ou 3 neutrons qui vont impacter 2 ou 3 noyaux, qui vont éjecter 2 ou 3 neutrons chacun etc.

2.8. Création de paires π

Lors d’une désintégration β+, un positron en fin de parcours peut rencontrer un électron. Ils vont alors s’annihiler et émettre 2 photons d’annihilation diamétralement opposés d’énergie 511 keV chacun. 

Dans certains cas, si l’énergie des γ de désexcitation est supérieure à 1,022 MeV, ces derniers peuvent se désintégrer au voisinage du noyau sous forme d’une paire électron-positron. Ce phénomène de création de paires (π) est rare. Il est alors en concurrence avec les transitions électromagnétiques (émission γ et conversion interne).

Une émission en fluorescence X ou un électron Auger peuvent être émis en fonction du réarrangement de la couche électronique provoqué par la capture électronique ou la conversion interne.

2.9. Rayons X

Les rayons X, très utilisés en médecine, ne proviennent pas d’une transformation du noyau, mais du freinage des électrons. De ce fait, l’atome perd de d’énergie et émet une onde électromagnétique.

3. Stabilité et instabilité

Un noyau stable est un noyau qui ne se désintègre pas. Sur environ 3000 nucléides connus, 264 seulement son stables. La parité d’un noyau correspond à son nombre de protons Z et de neutrons N. Les noyaux les plus stables sont principalement les noyaux avec Z et N pairs. Il existe au maximum un nucléide stable lorsque Z+N est impair.

Un noyau instable est un noyau radioactif. Sur un diagramme avec Z et N, on distingue les zones d’instabilité nucléaire et la « vallée de la stabilité ».

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